測(cè)量與計(jì)量電子測(cè)量計(jì)量

電子測(cè)量是指利用電子學(xué)手段在零頻率（即直流）至光頻的電磁頻譜中對(duì)常用電磁量（如電壓、功率、頻率和阻抗等）的測(cè)量。為實(shí)行測(cè)量而采用的原理、方法、手段和技術(shù)措施，稱(chēng)為測(cè)量技術(shù)。為測(cè)量目的而用的技術(shù)裝備稱(chēng)為測(cè)量器具。測(cè)量器具包括儀器和量具。儀器可將被測(cè)之量轉(zhuǎn)換成示值或其等效信息，如阻抗電橋就是儀器的一例。量具以固定形式復(fù)現(xiàn)某個(gè)量的一個(gè)或多個(gè)已知量值，標(biāo)準(zhǔn)電容器或電容箱是量具的一例。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是用于確定定義，并保存和復(fù)現(xiàn)單位（或其倍數(shù)或分?jǐn)?shù)）的測(cè)量器具。

計(jì)量學(xué)是研究測(cè)量理論和實(shí)際問(wèn)題的科學(xué)。帶有強(qiáng)制性的技術(shù)上和法學(xué)上的要求，以保證單位和量值的統(tǒng)一和一致的計(jì)量學(xué)稱(chēng)為法制計(jì)量學(xué)。中國(guó)習(xí)慣上把法制計(jì)量學(xué)方面的實(shí)踐活動(dòng)簡(jiǎn)稱(chēng)為計(jì)量。

由于實(shí)際上不可能對(duì)各種量都一一規(guī)定單位并建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，通常在一個(gè)單位制中，選定若干個(gè)彼此獨(dú)立的量作為基本量，逐一規(guī)定它們的單位，即基本單位。通過(guò)函數(shù)關(guān)系從這組基本單位導(dǎo)出其他量的單位，即導(dǎo)出單位。國(guó)際上通用的單位制是國(guó)際單位制（簡(jiǎn)稱(chēng)SI）。它采用下列七個(gè)基本單位:長(zhǎng)度單位──米（m）；質(zhì)量單位──千克(kg)；時(shí)間單位──秒(s);電流單位──安培(A)；熱力學(xué)溫度單位──開(kāi)爾文(K)；物質(zhì)的量的單位──摩爾(mol);發(fā)光強(qiáng)度單位──坎德拉(cd)。

單位的真值可以通過(guò)理論來(lái)確定定義，但往往很難具體復(fù)現(xiàn),只存在于純理論之中。因此,實(shí)際是由國(guó)家設(shè)立盡可能維持恒定不變的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)或自然基準(zhǔn)，以法令的形式指定以它所體現(xiàn)的量值作為單位的約定真值。各國(guó)之間，通過(guò)互相比對(duì)在一定程度上保持量值一致。

無(wú)數(shù)日常工作儀器或量具不可能都直接同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相比對(duì),所以國(guó)家還設(shè)立一系列的各級(jí)實(shí)物標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)成一個(gè)各種參量單位的傳遞網(wǎng)，通過(guò)逐級(jí)比較把國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所體現(xiàn)的單位量值傳遞到全國(guó)的日常工作測(cè)量器具去，這稱(chēng)為量值傳遞。為了保證全國(guó)所測(cè)量值的統(tǒng)一和一致，必須采取帶有法制性的技術(shù)措施來(lái)處理單位、標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量方法和測(cè)量器具等問(wèn)題。因此，計(jì)量是測(cè)量的特殊形式，又是測(cè)量的基礎(chǔ)和依據(jù)。

在人們的科技實(shí)踐中，對(duì)一些事物或復(fù)雜的被測(cè)對(duì)象往往需要一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)和測(cè)量的過(guò)程，其中涉及眾多的測(cè)量項(xiàng)目。每項(xiàng)測(cè)量的個(gè)別對(duì)象又常受環(huán)境及其他測(cè)量項(xiàng)目的影響而有所變化，或本身就處在動(dòng)態(tài)工作條件之中。因此，簡(jiǎn)單的測(cè)量往往難以奏效，需要進(jìn)行多次測(cè)量，甚至根據(jù)測(cè)量結(jié)果不斷尋找有效的測(cè)量方法。這種具有試驗(yàn)性質(zhì)的測(cè)量稱(chēng)為測(cè)試，有時(shí)也稱(chēng)為分析。

電子測(cè)量與其他測(cè)量的關(guān)系電子測(cè)量和計(jì)量的單位,除安培外,全部屬于導(dǎo)出單位。一切導(dǎo)出單位都是從長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、溫度、電流等基本單位導(dǎo)出的。電子測(cè)量中也常常把被測(cè)之量轉(zhuǎn)換成其他較易測(cè)量的量來(lái)測(cè)量。因此，電子測(cè)最依賴(lài)于其他測(cè)量并受其制約。例如，微波衰減標(biāo)準(zhǔn)和反射標(biāo)準(zhǔn)依賴(lài)于長(zhǎng)度測(cè)量，而噪聲標(biāo)準(zhǔn)則依賴(lài)于溫度測(cè)量。

另一方面,電子測(cè)量廣泛應(yīng)用于非電磁量的測(cè)量,稱(chēng)為非電測(cè)量，并已成為另一個(gè)龐大的測(cè)量分支。如何使非電磁量按已知規(guī)律變換成電磁量，這是非電測(cè)量的關(guān)鍵。只要變換成功,余下的就是電子測(cè)量問(wèn)題。此外,由于基本單位自然基準(zhǔn)的建立和發(fā)展，1967和1983年已分別對(duì)秒和米改用原子躍遷頻率來(lái)確定定義，其他基本單位也有此趨勢(shì)。

電子測(cè)量起源于電磁測(cè)量,并一直與它密切相關(guān),互有交叉。雖然電子測(cè)量的頻譜范圍覆蓋了電磁測(cè)量的頻譜范圍（直流和工業(yè)頻率），但電磁測(cè)量至今仍保持著與電子測(cè)量并列的測(cè)量分支的地位。許多電子測(cè)量的單位都由電學(xué)和磁學(xué)單位導(dǎo)出，實(shí)際上也來(lái)源于電學(xué)和磁學(xué)單位。為了提高測(cè)量精密度，許多高頻電子測(cè)量都把高頻電磁量變換成為直流或低頻電磁量，再用電磁測(cè)量的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著數(shù)字式電子儀器的發(fā)展，一些傳統(tǒng)的電磁測(cè)量項(xiàng)目，如直流和工頻電壓、電流、功率、頻率等，也成了電子測(cè)量的日常測(cè)量項(xiàng)目。

在電子測(cè)量中，對(duì)某些特殊對(duì)象的一系列具體測(cè)量逐漸形成為一些專(zhuān)門(mén)的測(cè)量分支，如無(wú)線電測(cè)量、雷達(dá)測(cè)量、電視測(cè)量、電聲測(cè)量和大規(guī)模集成電路測(cè)量等。

內(nèi)容和對(duì)象電子測(cè)量與計(jì)量的對(duì)象是電子學(xué)中常見(jiàn)的電磁量。此外，還包括一些無(wú)量綱的量，如衰減量、反射系數(shù)和電壓駐波比等。

電子測(cè)量與計(jì)量有不同的任務(wù)和要求，但總的測(cè)量目的、涉及的學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域、基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)是一致的。兩者都屬于計(jì)量學(xué)的知識(shí)領(lǐng)域，都以電子學(xué)為專(zhuān)業(yè)理論基礎(chǔ)。從計(jì)量學(xué)包括的三項(xiàng)主要內(nèi)容──計(jì)量單位及其基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量技術(shù)和測(cè)量器具來(lái)看，有關(guān)電磁計(jì)量單位及其標(biāo)準(zhǔn)的建立、復(fù)現(xiàn)、保存和傳遞等應(yīng)屬電子計(jì)量的范圍，其任務(wù)是為電子測(cè)量提供可信賴(lài)的科學(xué)依據(jù)，以保證單位量值的準(zhǔn)確一致。而電子測(cè)量與計(jì)量都包含測(cè)量技術(shù)的研究和應(yīng)用及測(cè)量器具的設(shè)計(jì)和制造兩方面的內(nèi)容，但都有各自的目的。根據(jù)不同的測(cè)量要求、測(cè)量對(duì)象和測(cè)量環(huán)境等采用不同的測(cè)量技術(shù)和設(shè)計(jì)不同的測(cè)量器具。

從不同的觀點(diǎn)出發(fā)，電子測(cè)量和計(jì)量的內(nèi)容和對(duì)象有不同的分類(lèi)。

①按頻率劃分：通常以30千赫左右為界線。30千赫以下為低頻測(cè)量，以上為高頻測(cè)量，然而這種界線并無(wú)確切的定義。還可以按頻率再細(xì)分為音頻、視頻、射頻和微波測(cè)量，其間的分界也不甚明確，常有交叉重疊，微波頻譜高端（300 太赫以上）已與紅外和可見(jiàn)光頻率相銜接。在音頻段內(nèi)又可再細(xì)分為亞音頻(甚低頻)、音頻和超音頻測(cè)量。微波測(cè)量則又可細(xì)分為米波、分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波測(cè)量。電子測(cè)量方法和器具日益向?qū)掝l段發(fā)展，已能包括從直流到微波頻段，因此電子測(cè)量按頻段分類(lèi)已日漸失去意義。只有亞音頻和亞毫米波測(cè)量，作為強(qiáng)調(diào)向兩個(gè)極端發(fā)展的特殊情況，還有其特殊意義。

②按具體對(duì)象分類(lèi)：電子測(cè)量和計(jì)量常按具體的對(duì)象(不同的參量)來(lái)分類(lèi)，一般包括四類(lèi)參量：有關(guān)電磁能的量（電流、電壓、功率和電場(chǎng)強(qiáng)度等）；有關(guān)電信號(hào)特征的量（頻率、相位、波形參數(shù)和脈沖參數(shù)等）；有關(guān)電路元件和材料的參數(shù)的量（阻抗或?qū)Ъ{、電阻或電導(dǎo)、電感和電容等）；有關(guān)無(wú)源和有源網(wǎng)絡(luò)性能特性的量（反射系數(shù)、電壓駐波比、衰減、增益、相位移和頻帶寬度等）。這種分類(lèi)并不嚴(yán)格,從不同觀點(diǎn)來(lái)看,同一個(gè)量往往可以歸入其中的某一類(lèi)，也可以歸入另一類(lèi)。例如，頻率既是交變電磁能的一個(gè)屬性，又是信號(hào)的一個(gè)重要特征，也可能是電路元件、材料或網(wǎng)絡(luò)的特征量。此外,這幾類(lèi)參量也有不可分割的聯(lián)系。例如,信號(hào)特征參量往往離不開(kāi)電能量的測(cè)量，而元件參量也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)參量而求得。就連集總參數(shù)元件的基本參量如R、L和C等,也常通過(guò)測(cè)量反射系數(shù)來(lái)求得。在按參量分類(lèi)時(shí)，也常再按頻段或所用的技術(shù)再行細(xì)分。

③按其他原則分類(lèi)：電子測(cè)量和計(jì)量有時(shí)也從其他一些觀點(diǎn)出發(fā)按不同的原則來(lái)分類(lèi)。從電路、信號(hào)和系統(tǒng)的理論分析方法考慮，可分為時(shí)域測(cè)量與頻域測(cè)量和后出現(xiàn)的數(shù)據(jù)域測(cè)量；從測(cè)量技術(shù)來(lái)考慮，則可分為經(jīng)典的正弦測(cè)量或靜態(tài)測(cè)量、掃頻測(cè)量或動(dòng)態(tài)測(cè)量，脈沖測(cè)量或瞬態(tài)測(cè)量等；若按測(cè)量方法，則可分為諧振法測(cè)量、電橋法測(cè)量和比較（替代）法測(cè)量等。

特點(diǎn)電子測(cè)量和計(jì)量除類(lèi)別繁多、對(duì)象復(fù)雜而多變外還有一些其他特點(diǎn)。

①量程和頻程極寬：例如，電子測(cè)量中待測(cè)的功率可能小到10瓦（來(lái)自深空宇宙飛行器的信號(hào)），大到10瓦以上（遠(yuǎn)程雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率）,量程達(dá)到1:10范圍。一般不可能用一種測(cè)量方法和一種測(cè)量?jī)x器來(lái)覆蓋整個(gè)量程，也不應(yīng)只建立單一的W（瓦）標(biāo)準(zhǔn),而應(yīng)有μW、mW、W、kW、MW 等一系列功率標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)，電子測(cè)量?jī)x器中也有能覆蓋很寬量程的情況，如一臺(tái)完善的頻率計(jì)數(shù)器能測(cè)量10～10赫的頻率，量程為1:10。一般說(shuō)來(lái)，同類(lèi)的量在不同頻段的測(cè)量和計(jì)量所用的方法和器具往往不同。但也存在不少頻程很寬的測(cè)量器具，如從音頻直到40吉赫的頻譜分析儀和 0～18吉赫的標(biāo)準(zhǔn)衰減器等。

②精確度參差懸殊：測(cè)量和計(jì)量技術(shù)的水平、測(cè)量結(jié)果的可信賴(lài)性以及測(cè)量和計(jì)量工作的意義和價(jià)值，全在于測(cè)量或計(jì)量的精確度，或者說(shuō)，全在于測(cè)量或計(jì)量結(jié)果的不確定度或誤差的大小。電學(xué)計(jì)量中直流電壓的計(jì)量,最好的可達(dá)10量級(jí)。然而，電子計(jì)量中精確度最高者為頻率計(jì)量,最好的可達(dá)10量級(jí)；日常工作的頻率計(jì)數(shù)器也可達(dá)10～10量級(jí)。

電磁量易用電子學(xué)方法加以變換。例如，數(shù)字式電壓表就是利用υ/T或υ/F變換技術(shù)，把電壓變換為時(shí)間或頻率來(lái)測(cè)量的。日常工作用的數(shù)字式電壓表，不確定度達(dá)到10的量級(jí)并不罕見(jiàn)。而在電磁測(cè)量中,0.1級(jí)(不確定度為±0.1%)電壓表則是珍貴的標(biāo)準(zhǔn)儀器。利用參量變換技術(shù)來(lái)獲得十分方便而且高度精確的測(cè)量手段，是電子測(cè)量的一重大特色，這也是電子測(cè)量技術(shù)迅速滲透到幾乎一切計(jì)量和測(cè)量領(lǐng)域的主要原因。然而，電子計(jì)量單位既然都是導(dǎo)出單位，其不確定度就不可能優(yōu)于它所賴(lài)以導(dǎo)出的原始單位的不確定度。

另外，視具體的對(duì)象和頻程、量程的不同，電子測(cè)量和計(jì)量所能達(dá)到的精確度也可能十分懸殊。有些項(xiàng)目如失真度或Q值的常規(guī)測(cè)量或計(jì)量,其不確定度可能劣到10的量級(jí)或更差。

③影響量多和影響特性復(fù)雜：對(duì)測(cè)量結(jié)果所得量值能產(chǎn)生影響的量稱(chēng)為影響量。影響量通常來(lái)自測(cè)量系統(tǒng)的外部，如電源電壓的起伏、環(huán)境溫度的變化、外部噪聲和干擾等。測(cè)量系統(tǒng)本身的某個(gè)工作特性，也可能對(duì)系統(tǒng)的另一工作特性產(chǎn)生影響進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果。例如，電壓表的頻率響應(yīng)特性和檢波特性，都直接影響電壓測(cè)量結(jié)果的量值。另一方面，電子測(cè)量器具以及被測(cè)對(duì)象內(nèi)部的元件、器件數(shù)目甚多，對(duì)外界影響也相當(dāng)敏感。錯(cuò)綜復(fù)雜的影響量所產(chǎn)生的不良效應(yīng)有時(shí)會(huì)成為嚴(yán)重問(wèn)題。此外,由于電子測(cè)量和計(jì)量的量程和頻程寬,測(cè)量器具內(nèi)部各種影響特性所引起的不良作用有時(shí)也可能十分嚴(yán)重。

因此，在許多電子測(cè)量和計(jì)量中，對(duì)環(huán)境的控制是必要的，而且有時(shí)要求十分嚴(yán)格（見(jiàn)測(cè)量與環(huán)境）。為了減弱測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的不良影響，必須盡量避免寄生耦合，對(duì)輸入輸出阻抗也要有嚴(yán)格的要求（見(jiàn)測(cè)量技術(shù)）。

④誤差問(wèn)題較難處理:在電子測(cè)量和計(jì)量中,由于影響量和影響特性眾多而復(fù)雜，因而很難充分掌握測(cè)量誤差。系統(tǒng)誤差常帶有一定的隨機(jī)性質(zhì)，而且不少是屬于非正態(tài)分布的，不能用經(jīng)典的概率統(tǒng)計(jì)方法處理。此外，由于儀器的生產(chǎn)數(shù)量一般不多，難以獲得大量采樣，因而無(wú)法知悉這些非正態(tài)誤差的確切分布律。

⑤對(duì)科學(xué)技術(shù)新成就敏感:為了獲得高精確度,電子測(cè)量和計(jì)量對(duì)科學(xué)技術(shù)新成就十分敏感，往往率先采用。如采樣、鎖相、頻率綜合、相關(guān)檢波、數(shù)字化、自動(dòng)化等技術(shù)，很快就在電子測(cè)量和計(jì)量中得到應(yīng)用并日益普遍。在新技術(shù)的引用方面，最突出的是電子計(jì)算機(jī)和微處理器的應(yīng)用，這不僅大大提高了電子測(cè)量和計(jì)量的自動(dòng)化和智能化程度,而且提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,避免了漂移的影響；同時(shí)也易于進(jìn)行大量數(shù)據(jù)采集和重復(fù)測(cè)量，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)減弱隨機(jī)誤差。利用自動(dòng)化技術(shù)，通過(guò)誤差模型對(duì)測(cè)量結(jié)果逐個(gè)進(jìn)行誤差修正，從而排除了許多系統(tǒng)誤差。還可以使測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行自我檢查、自我校準(zhǔn)，乃至自我檢定。此外，也便于利用間接測(cè)量的原理，從為數(shù)不多的直接測(cè)量結(jié)果出發(fā)，通過(guò)計(jì)算機(jī)換算而求得許多其他有關(guān)的參量的量值，從而實(shí)現(xiàn)多功能測(cè)量。電子測(cè)量和計(jì)量除對(duì)電子學(xué)本身的新成就十分敏感外，對(duì)于其他學(xué)科的成就也吸收得很快，如汲取了原子波譜學(xué)的成就，創(chuàng)造、發(fā)展了原子頻率標(biāo)準(zhǔn)；從光學(xué)獲得啟發(fā)而采用了毫米波和亞毫米波測(cè)量中的準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)；低溫超導(dǎo)技術(shù)在超短脈沖測(cè)量中的應(yīng)用；以及半導(dǎo)體量子干涉器件的應(yīng)用等。

發(fā)展電子測(cè)量和計(jì)量的發(fā)展很快，特別是20世紀(jì)下半葉以來(lái)，電子測(cè)量和計(jì)量的整個(gè)面貌大為改觀。電子測(cè)量和計(jì)量的發(fā)展，有以下幾個(gè)方面引人注目。

①電子測(cè)量已從使用個(gè)別或幾個(gè)獨(dú)立的儀器對(duì)單項(xiàng)或分別對(duì)若干項(xiàng)電磁量進(jìn)行測(cè)量，轉(zhuǎn)向利用多功能復(fù)合儀器系統(tǒng)對(duì)整個(gè)被測(cè)器件或系統(tǒng)做出全面表征（網(wǎng)絡(luò)分析儀是個(gè)典型例子），或?qū)π盘?hào)做出全面表征（如信號(hào)分析儀或自動(dòng)頻譜儀）。此外，利用時(shí)域、頻域互相變換的技術(shù)，從一域的測(cè)量得出另一域的結(jié)果；通過(guò)信號(hào)分析而求得網(wǎng)絡(luò)（系統(tǒng)）的表征或者相反（時(shí)域反射計(jì)即其一例）。

②在計(jì)量方面,隨著微觀“自然”基準(zhǔn)的建立,實(shí)物計(jì)量基準(zhǔn)和各極標(biāo)準(zhǔn)的重要性已日趨下降。1967年秒的定義改用原子鐘來(lái)規(guī)定；1983年10月第十七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)了米的新定義。在這之后，將逐步把國(guó)際單位制中剩下的五個(gè)基本單位同秒（頻率）單位聯(lián)系起來(lái)，把一切計(jì)量單位統(tǒng)一在頻率單位上。

③電子測(cè)量和計(jì)量同計(jì)算機(jī)相結(jié)合是一個(gè)重要趨勢(shì)。測(cè)量?jī)x器的智能化、積木化和自動(dòng)化的程度和水平還須提高，寬頻帶、寬量程、高精度和多功能的要求的實(shí)現(xiàn)還要較多地依靠計(jì)算機(jī)的功能。測(cè)量?jī)x器和計(jì)算機(jī)漸趨一體，成為萬(wàn)能的“黑盒”，通用測(cè)量?jī)x器和專(zhuān)用測(cè)量?jī)x器的界限將有新的劃分甚至可能消失。而電子測(cè)量系統(tǒng)與信息網(wǎng)的綜合發(fā)展，使有可能通過(guò)測(cè)量來(lái)分析和綜合所采集的大量數(shù)據(jù)，對(duì)所取得信息的使用效果作出科學(xué)評(píng)價(jià)。

④現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日益對(duì)電子測(cè)量和計(jì)量技術(shù)提出新的要求?，F(xiàn)代大型工程和尖端技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電子測(cè)量和計(jì)量提出了許多不同于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的苛刻要求，包括很多精確度很高的測(cè)量項(xiàng)目，極大到極小的量程范圍、很寬的頻帶寬度，極端的測(cè)量環(huán)境和動(dòng)態(tài)的工作條件等。

參考書(shū)目

張世箕等：《無(wú)線電計(jì)量測(cè)試概論》,計(jì)量出版社,北京，1985。

◆根據(jù)需要測(cè)量?jī)?nèi)容和投資計(jì)劃選用計(jì)量、測(cè)量設(shè)備。

◆信號(hào)輸出建議使用：串口、脈沖、4-20mA標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)。

◆ 現(xiàn)場(chǎng)無(wú)供電條件時(shí)，建議選用電池供電計(jì)量、測(cè)量設(shè)備。2100433B

《現(xiàn)代計(jì)量管理與測(cè)量管理體系》系《現(xiàn)代企業(yè)計(jì)量工作基礎(chǔ)從書(shū)》之三，主要介紹現(xiàn)代化的管理方法在計(jì)量管理中的應(yīng)用。包括：八項(xiàng)質(zhì)量管理原則在計(jì)量管理中的指導(dǎo)作用；“5S”管理方法在計(jì)量檢測(cè)環(huán)境條件保障中的應(yīng)用；GB/T 19022-2003標(biāo)準(zhǔn)條文的解釋?zhuān)黄髽I(yè)測(cè)量管理體系的建立，運(yùn)行及審核要點(diǎn)等。 2100433B